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柴油發電機組的單機額定容量計算公式 |
摘要：隨著經濟的發展，高層、超高層建筑以及大型公共建筑越來越多，柴油發電機組的使用也越來越普及。柴油發電機組具有起動迅速、結構緊湊、占地面積小、工程量小、維護操作簡單等特點，在工程建筑中作為備用電源或應急電源的首選設備。柴油發電機組的設計涉及建筑功能要求、 建筑消防和人員疏散要求、建筑設備用電需求等多方面的要求。本文介紹了柴油發電機組的功能使用要求，結合設計實例分析了施工圖中柴油發電機組的容量計算。在工程設計中除按穩定負荷計算發電機組容量外，還應復核發電機組母線允許壓降和尖峰負荷對電源質量的影響，以保障柴油發電機組的供電可靠性。
一、柴發功率定義和設置要求
1、柴發選型規定
根據JGJ 16—2008《民用建筑電氣設計規范》第6.1.2條，柴油發電機組的選擇應符合以下規定：
（1）機組容量與臺數應根據應急負荷大小、投入順序以及單臺電動機最大起動容量等因素綜合確定。當應急負荷較大時，可采用多機并列運行，機組臺數宜為2～4臺。
（2）在方案及初步設計階段，柴油發電機組容量可按配電變壓器總容量的10%～20%進行估算。在施工圖設計階段，可根據一級負荷、消防負荷以及某些重要二級負荷的容量，按下列方法計算的發電機組最大容量確定：
① 按穩定負荷計算發電機組容量；
② 按最大的單臺電動機或成組電動機起動的需要，計算發電機組容量；
③ 按起動電動機時，發電機組母線允許電壓降計算發電機組容量。
（3）當有電梯負荷時，在全電壓起動最大容量籠型電動機情況下，發電機組母線電壓不應低于額定電壓的80%；當無電梯負荷時，其母線電壓不應低于額定電壓的75%。當條件允許時，電動機可用降壓起動方式。
柴油發電機組是一種常用的備用電源設備，其容量的準確計算對于滿足電力需求至關重要。
2、功率定義
通常柴油發電機組銘牌標稱的輸出功率分為備用功率（Standly Power）、常用功率（Prime Power）和連續功率（Consecution Power）。
（1）備用功率
備用功率定義為發電機組在規定的維修周期之間和規定的環境條件下能夠連續運行300h，每年最多500工作小時的最大功率。備用功率定義示意圖如圖1所示，等同于國標和ISO標準中的限時運行功率（LTP），一般適用于通信、樓宇等負載變化較多的偶然應急工況。
（2）常用功率
常用功率定義為在規定的維修周期之間和規定的環境條件下，每年可能運行的時數不受限制的某一可變功率序列內存在的最大功率。備用功率定義示意圖如圖1所示，等同于國標和ISO標準中的基本功率（PRP），一般適用于廠礦、軍隊等負荷變化較少的經常運行工況。
（3）連續功率
連續功率定義為在規定的維修周期之間和規定的環境條件下，每年可能運行的時間不受限制的某一恒定功率序列內存在的最大功率。等同于國標和ISO標準中的持續功率（COP），一般適用于作為電站或與市電并網使用等負載變化極小的連續運行工況。
對于柴油發電機組的應用，在確定柴油發電機組功率定額時目前普遍按照常用功率來選擇。
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圖1 柴油發電機組額定功率（LTP）的定義 |
圖2 柴油發電機組額定功率（PRP）的定義 |
二、常見計算方法
柴油發電機組的容量是指其可以提供的最大功率。容量的計算需要考慮到實際使用的負載需求以及設備的可靠性。以下是一些常用的柴油發電機組容量計算方法。
1、功率需求的計算方法
首先，確定需要供電的負載類型和功率需求。根據負載的類型（如電動機、空調、照明等），查找其額定功率。然后，將所有負載的額定功率相加，得到總功率需求。為確保發電機組能夠滿足負載需求，通常會將總功率需求的1.2倍作為柴油發電機組的容量。
2、電流需求的計算方法
首先，確定需要供電的負載類型和額定電流。根據負載的額定電流，將所有負載的額定電流相加，得到總電流需求。然后，根據電壓（通常為220V或380V）計算總功率需求。最后，將總功率需求的1.2倍作為柴油發電機組的容量。
3、功率因數的計算方法
功率因數是指負載所需的有功功率與視在功率之比。根據負載的功率因數，可以通過以下公式計算柴油發電機組的容量：
容量 = 額定功率 / 功率因數
其中，額定功率為負載的額定功率。
需要注意的是，柴油發電機組的容量一般以千瓦（kW）為單位。在實際應用中，還需要考慮到負載的起動電流、功率因數的變化以及柴油發電機組的可靠性等因素。
三、容量計算公式
在施工圖階段，可根據已有的配電干線負荷、單臺最大電動機容量等來計算所需的柴油發電機組的容量。一般應急電源只設單臺發電機組，其容量大小按應急負荷大小和電動機容量等因素綜合考慮確定。在施工圖階段可根據一級負荷、消防負荷以及某些重要的二級負荷容量，按下述方法計算并選擇其中容量最大值，若有條件可使用專業的計算軟件系統。
1、按穩定負荷計算容量
SG1=P∑/η∑cosφ...............（公式1）
式中：P∑——發電機組總負荷計算功率；
η∑——所帶負荷的綜合效率，一般取0.82～0.88；
cosφ——發電機組額定功率因數，一般取0.8。
按穩定負荷計算時，需要輸入的參數為發電機總負荷計算功率，所帶負荷的綜合效率以及發電機額定功率因數。其中后兩項軟件給定了常用的默認值，用戶可以隨時修改。點擊計算，就可以生成計算結果，如圖3所示。
2、按尖峰負荷計算容量
SG2=KjSm/KG...............（公式2）
式中：Kj——尖峰負荷造成的電動機功率下降的系數，一般取0.90～0.95；
KG——發電機組允許短時過載系數，一般取1.4～1.6；
S——最大的單臺電動機或成組電動機的起動容量。
按尖峰負荷計算計算時，需要輸入參數主要有“最大的單臺電動機或成組電動機的啟動容量Sm”，或者也可以輸入Sm的有功功率和無功功率。如果知道Sm直接輸入就可以，后兩項不用再輸入。如果不知道Sm數值，可以通過給定后兩項參數來計算Sm以及生成發電機的視在功率。如圖4所示。
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圖3 柴油發電機組容量計算軟件工具（按尖峰負荷） |
圖4 柴油發電機組容量計算軟件工具（按穩定負荷） |
3、按發電機組母線允許壓降計算容量
SG3=（1-△U）Xd'SsT△/△U...............（公式3）
式中：△U——發電機組母線允許壓降，其曲線如圖5所示，一般取0.2；
Xd’——發電機組瞬態電抗，一般取0.2；
SsT△——導致發電機組最大電壓降的電動機的最大起動容量。
按發電機母線允許壓降計算時，輸入參數主要是導致發電機最大電壓降的電動機的最大起動容量。其它參數軟件已經給了默認值，用戶可以自行修改。如圖6所示。
柴油發電機組的額定功率是在外界大氣壓力為101.325 kPa、溫度為20℃、相對濕度為50%的情況下，保證能連續運行12 h的功率（包括超負荷110%運行1 h）。如連續運行時間超過12h，則應按90%額定功率使用。如氣壓、氣溫、濕度與上述規定不同，應對柴油發電機組的額定功率進行修正。
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圖5 最大峰值電流與發電機壓降關系曲線圖 |
圖6 柴油發電機組容量計算軟件工具（按母線允許壓降） |
四、設計實例一
某住宅小區地上有兩棟一類高層住宅建筑，地下室為汽車車庫。根據當地供電部門要求，由市政提供兩路10 kV電源供電，并設置柴油發電機組作為備用電源。當一路電源發生故障時，另一路電源不應同時受到損壞。10 kV電源發生故障時，15 s內自起動應急柴油發電機組，以保證一、二級負荷的供電要求。柴油發電機組外觀一般如圖7所示，實物安裝布置如圖8所示。
1、按穩定負荷計算容量示例
施工圖負荷計算書中消防負荷為430.9 kW，非常消防負荷為273.7 kW。因此，按穩定負荷中消防負荷的功率來選擇一臺512 kW柴油發電機組，cosφ=0.8，由式（1）得發電機組容量為
SG1=576 kVA
2、按尖峰負荷計算容量示例
該項目最大電動機容量為90 kW，其起動容量Sm=KPm/cosφ，其中Ka=6.5，cosφ=0.7，計算得Sm=6.5×90/0.7=835 kVA。另K;=0.95，Kc=1.4，由式（2）得，發電機組容量為
SG2=0.95×835/1.4=567 kVA
根據計算結果，Sc?>Sc?，柴油發電機組容量Sci=576 kVA滿足尖峰負荷對柴油發電機組的要求。
3、按母線允許壓降計算容量示例
該項目最大電動機容量為90 kW，Ka=6.5，cosφ=0.7，計算出起動容量Sm=6.5×90/0.7=835 kVA。另△U=0.2，Xa=0.2，則由式（3）得，發電機組容量為
SG3=（1-0.2）×0.2×835/0.2=668 kVA
柴油發電機組容量Sc?=668 kVA時，滿足發電機組母線允許壓降的要求。該項目所在地區為非高海拔地區，同時柴油發電機組未要求連續運行12 h，故無需按90%的長期運行功率來修正柴油發電機組的額定功率。
根據上述計算結果可知，SG3>SG1且SG3>SG2，故選用668 kVA柴油發電機組。
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圖7 柴油發電機組外觀示意圖 |
圖8 柴油發電機組設置實例 |
五、設計實例二
某商業綜合體總建筑面積約為30萬m²，建筑防火分類為I類高層建筑，采用多路10 kV進線設計，其中當一組電源發生故障時，另一組電源應不應同時受到損壞。為保證一級負荷中特別重要負荷的供電可靠性，設置應急柴油發電機組作為備用電源。
1、按穩定負荷計算容量示例
施工圖負荷計算書中，消防負荷為950 kW，非消防負荷為1750 kW。因此，按穩定負荷中非消防負荷的功率來選擇一臺2000 kW柴油發電機組，cosφ=0.8，由式（1）得，發電機組容量為
Sa=2250 kVA
2、按尖峰負荷計算容量示例
該項目最大電動機容量為110 kW，Ka=6.5，cosφ=0.7，計算出起動容量Sm=6.5×110/0.7=1021 kVA。由式（2）得，發電機組容量為
Sc?=0.95×1021/1.4=692 kVA
柴油發電機組容量Sc?=692 kVA時，滿足尖峰負荷對柴油發電機組容量的要求。
3、按母線允許壓降計算容量示例
該項目最大電動機容量為110 kW，K，=6.5，cosφ=0.7，計算出起動容量Sm=6.5×110/0.7=1021kVA。由式（3）得發電機組容量為
Sc?=（1-0.2）×0.2×1021/0.2=816 kVA
柴油發電機組容量Sc?=816 kVA時，滿足發電機組母線允許壓降的要求。
該項目所在地區為非高海拔地區，同時柴油發電機組未要求連續運行12 h，故無需按90%的長期運行功率來修正柴油發電機組的額定功率。根據上述計算結果可知，Sc>Sc且Sci>Sc?，故選用2250 kVA柴油發電機組。
六、選擇的經濟性分析
對于設計實例二，是選擇一臺2000 kW的柴油發電機組，還是選擇兩臺1000 kW的柴油發電機組，需要對其經濟性進行考慮。
1、機組價格
以康明斯發電機組為例，單臺2000 kW柴油發電機組價格約為260萬元；單臺1000 kW柴油發電機組價格約為100萬元。因此，選擇單臺柴油發電機組比選擇兩臺柴油發電機組高出60萬元。
2、機房面積
單臺2000 kW柴油發電機組機房面積約為40 m²;兩臺1000kW柴油發電機組機房面積約為75 m²。兩臺1000 kW柴油發電機組的機房面積幾乎為單臺2000 kW柴發機組的機房面積的2倍。
綜上所述，兩種柴發機組設計方案均有利有弊，一種前期投入高，但減少了機房的面積；另一種前期投入相對少，但增加了機房的面積，可能對商業的出租面積以及車位數量有影響。柴油發電機組設計方案的選擇，應根據項目的整體運營及業主的實際使用需求來決定。
總結：
隨著大型公共建筑的發展，作為應急電源的柴油發電機組，更應保證其設計的可靠性和穩定性。在工程設計中，除按穩定負荷計算出發電機組容量外，還應復核發電機組母線允許壓降和尖峰負荷對電源質量的影響，以保障作為應急電源的柴發機組的供電可靠性。柴油發電機組的容量還可以根據特定行業或應用的要求進行計算。例如，在建筑工地上使用的柴油發電機組，其容量需要考慮到工地設備的功率需求以及起動電流；而在醫院等特殊場所使用的柴油發電機組，其容量需要滿足重要設備的供電要求，確保正常運行。柴油發電機組容量的計算需要綜合考慮負載的功率需求、電流需求、功率因數以及特定應用的要求。通過合理計算柴油發電機組的容量，可以確保設備能夠提供足夠的電力，并保證電力系統的可靠性和穩定性。
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